Comment comprendre la théorie de la relativité

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Comprendre la relativité est indispensable pour comprendre le fonctionnement de l'univers. Le sujet peut sembler difficile et, en fait, un article ne suffirait pas à comprendre toutes les mathématiques de la théorie de la relativité d'Einstein. Cependant, les concepts fondamentaux de la relativité peuvent être expliqués assez facilement et c’est d’ailleurs ce que nous allons tenter de faire.

La découverte d’Albert Einstein

autoportrait d'albert einsteinEn fait, la première personne à avoir expliqué que les lois de la physique devaient être les mêmes pour tous était Galilée. Imaginez que vous êtes dans la cale d’un navire. Vous ne pouvez pas regarder à l’extérieur, mais vous voulez essayer de comprendre si le navire se déplace ou non. Galilée s’est rendu compte qu’aucune expérience ne lui permettait de savoir si le navire était en mouvement ou non. Pour Galilée, il existait donc des systèmes de référence spéciaux dits inertiels (comme le navire, en fait), c’est-à-dire des systèmes de référence qui vont à vitesse constante et ne changent pas de direction.

Dans ces systèmes, les lois de la physique étaient les mêmes pour tous et cette idée a bien fonctionné pendant longtemps, tant qu’elle était limitée à la mécanique. Mais lorsque l’électromagnétisme a été découvert et que les ondes électromagnétiques (c’est-à-dire la lumière) ont commencé à être prises en compte, les choses ne fonctionnaient plus aussi bien. Les lois de l’électromagnétisme ne pouvaient pas être écrites d’une manière qui soit la même pour tous les systèmes de référence inertiels. Et, c’est là qu’Einstein intervient avec la théorie de la relativité!

La théorie de la relativité

Einstein considérait une onde électromagnétique comme une oscillation qui se propage à une certaine vitesse (à la vitesse de la lumière). Que se passerait-il si je courais après une onde électromagnétique ? Je ne verrais plus l’oscillation, la lumière s’arrêterait. Einstein a alors eu une idée: que la vitesse de la lumière soit la même pour tous les observateurs, qu’elle ne change jamais.

Aujourd’hui, près d’un siècle après la théorie générale de la relativité connue avec la célèbre formule et équation E=MC2, l’Univers que nous voyons est tel qu’Albert Einstein l’a décrit. Les modèles qui dessinent l’Univers de son origine à son expansion, les lois qui régissent les interactions de la gravité, de la masse et de l’énergie, ou, plus simplement, l’explication de ce qui permet à notre Soleil de briller chaque jour et à notre GPS (Global Positioning System) de nous éviter de nous tromper de chemin, ont pour base solide les théories de l’employé de l’Office des brevets de Berne qui, à l’âge de seize ans, s’est demandé ce que ce serait de chevaucher un faisceau de lumière.

En 1905, avec la théorie de la relativité restreinte, Einstein a produit l’équation la plus célèbre de toute la science (E=MC2), puis, seulement une décennie plus tard, il nous a donné la théorie qui sous-tend une grande partie de ce que nous savons de notre Univers : avec les équations de champ de la relativité générale, les bases ont été posées pour l’étude de la nature de l’Univers.

Théorie de la relativité restreinte: le premier postulat

explication visuelle générée par ordinateur de la théorie de la relativitéImaginons deux bateaux en pleine mer dans des conditions de mouvement de vague nul : un bateau est amarré tandis que l’autre passe devant le premier en se déplaçant en ligne droite et à une vitesse constante de 40 kilomètres par heure. Si nous demandions aux passagers sous le pont des deux bateaux de tenter quelques expériences physiques simples, comme faire rouler une bille, faire tomber une pierre dans un bol rempli d’eau ou écouter la radio, les occupants des deux bateaux observeraient exactement les mêmes résultats.

Cependant, si les passagers avaient comme seule et unique référence les lois observables de la physique pour déterminer sur quel bateau ils se trouvent, aucun d’entre eux ne pourrait dire avec certitude qu’il se trouve sur le bateau en mouvement ou sur le bateau à l’arrêt: aucune expérience ne permet de définir lequel des deux est en mouvement et lequel est à l’arrêt. C’est le même effet que nous ressentons lorsque, assis dans un train à l’arrêt attendant de partir à côté d’un autre dans les mêmes conditions, nous ne pouvons pas dire si, à un moment donné, c’est notre train ou l’autre qui est en mouvement.

Même les passagers sur le pont du bateau, s’ils avaient l’autre bateau comme seul point de référence, auraient le même doute. Aucun d’entre eux ne pourrait établir avec certitude qu’il se trouvait dans le bateau à l’arrêt plutôt que dans le bateau en mouvement, mais ils pourraient seulement affirmer qu’ils avaient une vitesse relative de 40 kilomètres par heure par rapport à l’autre bateau. C’est le premier des postulats fondamentaux de la théorie de la relativité restreinte : les lois de la science sont les mêmes pour tous les observateurs en mouvement, quelle que soit leur vitesse.

Que signifie le temps relatif?

En physique, la dilatation du temps, conformément à la théorie de la relativité restreinte, est le phénomène par lequel la durée d’un même événement est plus longue lorsqu’elle est mesurée dans un système de référence en mouvement que dans celui supposé solidaire de l’événement.

Avec la théorie de la relativité restreinte, Einstein a théorisé que le temps n’est pas absolu, mais relatif à deux variables : la vitesse et la référence spatiale des observateurs. Pour être encore plus précis, c’est la distance temporelle (intervalle) entre deux événements qui est relative aux variables que nous venons de mentionner.

L’étude des trous noirs

reconstruction graphique de la théorie de la relativitéSi les trous noirs portent ce nom, ce ce n’est pas par hasard: leur champ gravitationnel est d’une puissance si grande que même la lumière s’en trouve emprisonner à l’intérieur. Cependant, il reste des traces de la lumière captée : des échos lumineux ou, moins poétiquement, des éruptions de rayons X.

La nouvelle est que, pour la première fois, les scientifiques ont également enregistré des émissions similaires provenant de l' »arrière » d’un trou noir supermassif au centre d’une galaxie située à 800 millions d’années-lumière. Cette découverte scientifique est très importante, et elle vient en confirmation de la théorie de la relativité générale de Albert Einstein.